本文關(guān)鍵詞：用于農(nóng)作物組分信息檢測的便攜式LVF光譜儀的開發(fā)

  更多相關(guān)文章： 農(nóng)作物 組分信息 便攜式 光譜儀 線性可調(diào)諧濾光片(LVF)

【摘要】：隨著計算機(jī)技術(shù)和遙感技術(shù)的飛速發(fā)展,近紅外光譜儀被廣泛應(yīng)用于農(nóng)作物組分信息研究領(lǐng)域。目前,應(yīng)用在農(nóng)業(yè)中的光譜儀大多以學(xué)術(shù)研究為目的,雖然具有精度高、檢測范圍廣等優(yōu)點(diǎn),但若用于田間檢測,則存在操作復(fù)雜、體積較大、不方便攜帶、檢測周期長、不能在線檢測等問題,對操作者的專業(yè)素養(yǎng)要求很高,不易普及應(yīng)用。針對農(nóng)業(yè)上作物營養(yǎng)成分檢測的快速化、小型化和低成本的需求,在863課題(2012AA10A503)、北京市自然科學(xué)基金(4142019)、農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201003008-07)等項目共同資助下,研制了用于農(nóng)作物組分信息檢測的便攜式光譜儀。論文主要包括以下研究內(nèi)容:1.闡述了作物組分信息快速檢測在精細(xì)農(nóng)業(yè)上的重要性;分析了光譜儀在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀;分析了光譜儀在農(nóng)作物、蔬菜和水果檢測上的應(yīng)用需求;結(jié)合實際對本儀器進(jìn)行需求分析;根據(jù)儀器需求進(jìn)行技術(shù)分析;最后,提出儀器的總體設(shè)計方案。2.本儀器的硬件系統(tǒng)主要包括光學(xué)和電子硬件兩部分。光學(xué)模塊中分別采用光纖和線性可調(diào)諧濾光片(LVF)完成入射光傳輸和分光的功能。電子硬件系統(tǒng)中采用CMOS光電探測器和C9001驅(qū)動電路完成光電轉(zhuǎn)換的功能;采用數(shù)據(jù)采集板卡完成對電信號的處理和分析;采用GPRS無線傳輸模塊將儀器分析的數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)椒⻊?wù)器。經(jīng)過分析,本研究選擇了效果好、集成度高、體積小的元器件。最后,完成整個硬件系統(tǒng)的搭建,對儀器進(jìn)行封裝。3.本系統(tǒng)軟件設(shè)計上采用的Win CE 6.0操作系統(tǒng),VS2008的編程環(huán)境。本儀器實現(xiàn)的功能主要包括光譜數(shù)據(jù)采集并以波形的形式顯示、暗電流標(biāo)定、白板標(biāo)定、光譜數(shù)據(jù)的保存、積分時間設(shè)置、掃描次數(shù)設(shè)置、實時分析和顯示農(nóng)作物組分信息、將組分信息通過GPRS模塊無線傳輸?shù)椒⻊?wù)器等。為了便于操作,本研究設(shè)計了簡潔的操作界面。4.儀器設(shè)計完成后,本研究采用可調(diào)諧激光器進(jìn)行波長的定標(biāo),從而校正加工和裝配造成的光譜分布偏離設(shè)計位置所產(chǎn)生的誤差。標(biāo)準(zhǔn)波長與定標(biāo)前的波長最大偏差是11.506,最小偏差是0.947;標(biāo)準(zhǔn)波長與定標(biāo)后的波長最大偏差是4.577,最小偏差是0.481。結(jié)果表明:對光譜儀進(jìn)行波長的校準(zhǔn)很有必要且有一定的效果。5.通過實驗驗證本光譜儀在小麥、蔬菜和蘋果組分信息檢測的可行性。(1)在室外自然光照的條件下,對冬小麥5個主要生理期的冠層葉片進(jìn)行反射光譜采集,用偏最小二乘法對光譜值與葉綠素和水分含量建立預(yù)測模型,相關(guān)系數(shù)分別為0.893和0.918。說明了本儀器在冬小麥組分信息檢測上具有可行性。(2)在室內(nèi)鹵鎢燈光照條件下,對小白菜、油菜、菠菜和生菜葉片進(jìn)行實驗,獲取600nm-1100nm的光譜值,采用多元回歸方法與SPAD建立預(yù)測模型,相關(guān)系數(shù)分別為0.854、0.93、0.73和0.696。說明了本儀器在蔬菜組分信息檢測上具有可行性。(3)在室內(nèi)鹵鎢燈光照條件下,對蘋果進(jìn)行試驗,獲取光譜反射率。用偏最小二乘法對獲取光譜值與蘋果糖度建立預(yù)測模型,相關(guān)系數(shù)為0.89。說明了本儀器在蘋果糖度檢測上具有可行性。本文將最終研制的用于農(nóng)作物組分信息檢測的光譜儀樣機(jī)命名為便攜式LVF光譜儀。本儀器不僅解決了普通光譜儀操作復(fù)雜、不易攜帶等問題,還具有其他光譜儀不具備的分析結(jié)果實時顯示的功能。儀器內(nèi)嵌檢測物組分信息的反演模型,可實時輸出組分信息,如葉綠素、水分含量等,讓操作者更直觀的獲取所需數(shù)據(jù)。
【關(guān)鍵詞】：農(nóng)作物 組分信息 便攜式 光譜儀 線性可調(diào)諧濾光片(LVF)
【學(xué)位授予單位】：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TH744.1
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 緒論10-15
• 1.1 研究背景及意義10
• 1.2 組分信息快速檢測的重要性10-11
• 1.3 光譜檢測在我國的應(yīng)用前景11-12
• 1.4 光譜儀的研究現(xiàn)狀12-13
• 1.5 本文主要研究內(nèi)容13
• 1.6 本文的組成結(jié)構(gòu)13-15
• 2 系統(tǒng)方案設(shè)計15-20
• 2.1 系統(tǒng)功能需求分析15
• 2.2 技術(shù)分析15-18
• 2.2.1 常用的分光系統(tǒng)15-17
• 2.2.2 軟件界面設(shè)計和功能分析17-18
• 2.3 系統(tǒng)總體設(shè)計方案18-19
• 2.4 本章小結(jié)19-20
• 3 硬件系統(tǒng)設(shè)計20-30
• 3.1 光學(xué)系統(tǒng)部分20-22
• 3.1.1 光學(xué)系統(tǒng)總體設(shè)計20
• 3.1.2 線性可調(diào)諧濾光片20-21
• 3.1.3 光纖選型21-22
• 3.2 電子硬件系統(tǒng)部分22-28
• 3.2.1 電子硬件系統(tǒng)總體設(shè)計22-23
• 3.2.2 光電探測器選型23-24
• 3.2.3 光電探測器驅(qū)動電路選型24-25
• 3.2.4 數(shù)據(jù)采集器選型25-26
• 3.2.5 嵌入式主板選型26
• 3.2.6 GPRS無線傳輸模塊選型26-27
• 3.2.7 電子硬件系統(tǒng)的連接實物圖27-28
• 3.3 光譜儀的封裝28-29
• 3.4 本章小結(jié)29-30
• 4 軟件系統(tǒng)設(shè)計30-51
• 4.1 軟件開發(fā)環(huán)境30-31
• 4.1.1 WinCE嵌入式操作系統(tǒng)30
• 4.1.2 面向?qū)ο蟮某绦蚓幊?/span>30-31
• 4.2 軟件總體功能框架31-32
• 4.3 功能的具體實現(xiàn)32-45
• 4.3.1 基于MFC的用戶界面基本框架設(shè)計32-34
• 4.3.2 二維坐標(biāo)軸模塊34-35
• 4.3.3 數(shù)據(jù)采集模塊35-36
• 4.3.4 繪制和顯示光譜曲線36-37
• 4.3.5 積分時間設(shè)置37-38
• 4.3.6 掃描次數(shù)設(shè)置38-39
• 4.3.7 文件保存設(shè)置39-40
• 4.3.8 保存成功提示及時間設(shè)置40-41
• 4.3.9 光譜計算模塊41-42
• 4.3.10 數(shù)據(jù)發(fā)送模塊42-45
• 4.4 便攜式LVF光譜儀樣機(jī)操作方法45-50
• 4.5 本章小結(jié)50-51
• 5 儀器的校準(zhǔn)51-56
• 5.1 可調(diào)諧激光器簡介51-52
• 5.2 波長定標(biāo)方法52-53
• 5.3 波長定標(biāo)結(jié)果53-55
• 5.4 本章小結(jié)55-56
• 6 便攜式LVF光譜儀可行性實驗驗證56-67
• 6.1 實驗儀器介紹56-58
• 6.1.1 鹵鎢燈簡介56-57
• 6.1.2 葉綠素測定儀簡介57
• 6.1.3 阿貝折光儀簡介57-58
• 6.2 冬小麥組分信息檢測實驗58-61
• 6.2.1 實驗方案58-59
• 6.2.2 實驗結(jié)果59-61
• 6.3 蔬菜新鮮度檢測實驗61-64
• 6.3.1 實驗方案61
• 6.3.2 實驗結(jié)果61-64
• 6.4 蘋果糖度檢測實驗64-66
• 6.4.1 實驗方案64-65
• 6.4.2 實驗結(jié)果65-66
• 6.5 本章小結(jié)66-67
• 7 總結(jié)與展望67-69
• 參考文獻(xiàn)69-71
• 攻讀學(xué)位期間所取得的相關(guān)科研成果71-72
• 作者簡介72-73
• 致謝73-74

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1 于笑盈;用于農(nóng)作物組分信息檢測的便攜式LVF光譜儀的開發(fā)[D];河北農(nóng)業(yè)大學(xué);2015年

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本文編號：991373